2. Лабораторные работы, задания и методика их выполнения

Лабораторная работа № 1

Тема. Введение. Элементы кристаллографии.

Цель: ознакомить с кристаллами из кафедральной эталонной коллекции, уметь определять и показывать элементы симметрии.

Оборудование: природные крупные кристаллы из кафедральной эталонной коллекции, коллекция картонных моделей простых форм кристаллов, учебные пособия по кристаллографии, набор цветных компьютерных слайд-фильмов о кристаллах.

Вопросы для самоподготовки

Кристалл и кристаллическое состояние вещества.

Гигантские кристаллы (примеры).

Пространственная кристаллическая решётка и ее виды.

Элементы симметрии (плоскость, ось, центр).

Кристаллографические оси.

Индексы и символы граней кристалла.

Список используемой литературы

Н.В.Короновский, Н.А.Ясаманов [5], с. 63-65; В.В.Добровольский [4], с. 26-44; Й.М.Свинко, М.Я.Сивий [15], с. 36-40; В.Ф.Барская, Г.И.Рычагов [1], с. 8-19; Е.К.Лазаренко [6], с.51

Исходные материалы

Земная кора сложена различными горными породами, составные части которых – минералы имеют в основном кристаллическое строение. Обычно кристаллы представляют собой многогранники, стороны которых – плоские грани, а ребра – прямые линии.

Кристалл, или хрусталь, в переводе с греческого означает прозрачный камень, или ископаемый лед. Затем кристаллами стали называть все твердые природные тела, обладающие формой правильных многогранников. Вещество, из которого кристаллы построены, стали называть кристаллическим, а науку о кристаллах – кристаллографией.

Кристаллическое вещество характеризуется однородностью, анизотропностью и способностью самоограняться. Кроме кристаллических тел, с природе встречаются и аморфные (от греч. «а» - без, «морфе» - форма) тела. Тела эти являются изотропными, то есть такими, в которых свойства по всем направлениям одинаковы. К таким телом относятся стекло, воздух т.д. Аморфное состояние является переходящим, временным: с течением времени аморфные тела перерождаются в кристаллические. Рассмотрим важнейшие свойства кристаллического вещества.

Однородность кристаллов состоит в том, что химический состав и физические свойства любой части кристалла тождественны составу и свойству любой другой одинаково ориентированной части кристалла.

Анизотропность (неравносвойственность) состоит в том, что свойства в направлениях параллельных одинаковы и в направлениях непараллельных – неодинаковы. Анизотропность характерна, например, для кристаллов слюды, которая только в одном направлении легко расщепляется на тонкие пластинки.

Способностью самоограняться обладают только кристаллы, они кристаллизуются в форме правильных многогранников: природная огранка кристаллов связана, с внутренним строением, с пространственной кристаллической решеткой.

Основной особенностью кристаллов является симметрия их строения. Для обнаружения симметрии служат: ось симметрии, плоскость симметрии и центр симметрии.

Ось симметрии (L,l) – это воображаемая линия, при вращении кристалла вокруг которой встречаются подобные и подобно расположенные элементы ограничения кристалла, или та линия, при повороте вокруг которой фигура совмещается сама с собою определенное число раз.

Число, показывающее, сколько раз фигура совмещается сама с собой при полном обороте, называется порядком оси. Например, если при полном обороте вокруг оси фигура куба совмещается четыре раза, то ось обозначается L₄ и называется осью четвертого порядка.

В кристаллах присутствуют только оси первого, второго, третьего, четвертого и шестого порядков. В одном кристалле могут присутствовать несколько осей различного порядка, например у куба: 3L₄,4L₃ и 6L₂. Оси проводятся: 1) перпендикулярно к граням многогранника, через их средины; 2) через вершины многогранника, равно наклоненные к его одинаковым граням и ребрам; 3) перпендикулярно к серединам ребер многогранника.

Плоскость симметрии (P) делит кристалл на две равные и обратно расположенные части, их которых одна является зеркальным отображением другой. Плоскости проводятся: 1) перпендикулярно к граням и ребрам, через их середины; 2) вдоль ребер, образуя одинаковые углы с равными гранями и ребрами.

В одной фигуре может быть несколько плоскостей.

Центр симметрии, или инверсия (C), - точка внутри кристалла, в которой делятся пополам линии, соединяющие одноименные и подобные элементы ограничения кристалла. Кристалл может и не иметь центра.

Габитусы – простые формы кристаллов минералов могут варьироваться, что приводит к изменению общего облика, или габитуса, кристалла. При одной и той же структуре минерал может обладать различным габитусом. Различают следующие типы габитуса кристаллов:

а) изометричный (равновеликий) – все грани кристалла примерно одинаковой величины;

б) таблитчатый – две противоположные грани больше других;

в) пластинчатый и листоватый – сильно развита сплюснутость;

г)столбчатый- три и больше граней параллельны какой-либо одной линии;

д) игольчатый или волосовидный – очень большая вытянутость кристалла в определенном направлении.

Как правило, габитус определяется важнейшими особенностями кристаллической структуры минералов. Например, кристаллы кубической сингонии обычно развиты во всех направлениях (изометричный габитус). Кристаллы тетрагональной сингонии сплющены или, наоборот, удлинены, реже сплюснуты и чешуевидны. Кристаллы низших сингоний обычно имеют пластинчатый облик.

Сингония – это совокупность простых форм, объединенных одинаковыми элементами симметрии.

Таблица 1

Сингонии кристаллов и их руководящие признаки

Категории	Системы (сингонии) и общая симметрия	Единичные направления
Высшая. Единичные направления отсутствуют. Несколько осей порядка выше 2	Кубическая 4L3	Нет
Средняя. Одно единичное направление, совпадающее с единственной осью порядка выше 2	Тетрагональная (квадратная) L4	Одно cL4
	Тригональная L3	Одно cL3
	Гексагональная L6	Одно cL6
Низшая Несколько единичных направлений. Нет осей порядка выше 2	Ромбическая 3L2	Три
	Моноклиническая L2 или P	Множество
	Триклиническая С или отсутствие элементов симметрии	Все

Содержание работы

Задание 1. Определить элементы симметрии кристаллов.

На природных кристаллах (галит, кальцит, магнетит, пирит, гранат и др.) и на картонных моделях простых форм кристаллов определить и показать элементы симметрии кристаллов (плоскости, оси, центр).

Задание 2. Определить и показать элементы симметрии куба (гексаэдра) согласно его формуле: 3L₄4L₃6L₂9PC.

Лабораторная работа № 2

Тема. Введение. Элементы кристаллографии.

Цель: изучить систему простых форм кристаллов, научиться определять название простых форм по комбинациям элементов симметрии кристалла и определять их сингонию.

Оборудование: природные крупные кристаллы-индивиды, коллекция картонных моделей простых форм кристаллов, учебные пособия по кристаллографии, рекомендуемая литература.

Вопросы для самоподготовки

1. Простые формы кристаллов.

2. Дать определение простых форм кристаллов кубической сингонии.

3. Чем отличается дипирамида от октаэдра?

4. Что такое «габитус» кристалла?

5. Сингонии.

6. Назовите минералы, имеющие простые формы куба и октаэдра.

Список используемой литературы

Н.В.Короновский, Н.А.Ясаманов [5], с. 63-65; В.В.Добровольский [4], с. 26-44; Й.М.Свинко, М.Я.Сивий [15], с. 36-40; В.Ф.Барская, Г.И.Рычагов [1], с. 8-19; Е.К.Лазаренко [6], с.51-59.

Содержание работы

Задание 1. Ознакомиться с номенклатурой простых форм кристаллов (рис. 1), научиться определять элементы симметрии и название простой формы на моделях кристаллов. Результаты определения оформить в виде таблицы 2.

Примечание. Первые три ряда простых форм – пирамиды, дипирамиды, призмы. Их название зависит от формы сечения: сечение ромб – ромбическая, треугольник – тригональная, удвоенный треугольник – дитригональная, четырехугольник – тетрагональная, удвоенный четырехугольник – дитетрагональная, удвоенный шестиугольник – дигексагональная.

Форму, состоящую из одной грани, называют моноэдром (22), из двух пересекающихся граней – диэдром (23), из двух параллельных граней – пинакоидом (24).

Форма, состоящая из четырех граней в виде треугольников, - тетраэдр. Различают ромбический тетраэдр – в сечении ромб (25), кубический – все грани равносторонние треугольники (26), тетрагональный – в сечении четырехугольник (27).

Фигуры, напоминающие дипирамиды, но с гранями в виде трапеции, называют трапецоэдрами (тригональный – 28, тетрагональный – 29, гексагональный – 30).

Форму, состоящую из шести граней в виде ромба, называют ромбоэдром (31), простые формы из равных разносторонних треугольников – скаленоэдрами (тетрагональный – 32, дитригональный – 33).

Форма из шести квадратов называется гексаэдром или кубом (34), форма из восьми равносторонних треугольных граней – октаэдром (35).

Рис. 1. Простые формы кристаллов.

Производные тетраэдров (36-39) и октаэдров (40-43) – формы, грани которых соответственно разбиты на три треугольника, четырехугольника, пятиугольника, шестиугольника. Название этих форм состоит из трех частей: первая относится к названию грани (тригон, тетрагон, пентагон, гексагон), вторая – к их количеству (3), затем называется исходная форма. Например: тригон-триоктаэдр (форма 40).

Если грани куба заменить четырьмя треугольными гранями, то получается форма, носящая название тетрагексаэдр (44).

Фигуры 45-47 называют додекаэдрами: дидодекаэдр – удвоенный двенадцатигранник, ромбододекаэдр и пентагондодекаэдр – соответственно грани в виде ромбов и пятиугольников.

Таблица 2

Определение простых форм кристаллов

№ модели	Название простой формы	Элементы симметрии
		P	L	C
1	призма	4P	L33L2	C

Задание 2. Определить простую форму, габитус и сингонию 10-и кристаллов. Результаты оформить в виде таблицы 3 (название минерала дает преподаватель).

Таблица 3

Определение простых форм, габитуса и сингонии кристаллов

№ п/п	Название минерала	Простая форма	Габитус	Сингония
1	Галит	Гексаэдр	Изометричный	Кубическая

Лабораторная работа № 3